一种基于WEP模型的不同下垫面水源涵养量计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于WEP模型的不同下垫面水源涵养量计算方法，包括划分计算单元，数据展布，读取基础数据以及初始参数值，设置参数率定条件，进行产汇流计算；以Nash系数作为评判标准，获取最优参数集，并带入WEP模型进行验证；分析研究区土地利用结构，确定占比高且和水源涵养关系密切的下垫面类型；设置情景参数，调用已构建的WEP模型，结合水量平衡原理，计算其水源涵养量，并根据水源涵养量时空分布特征进行合理性分析。优点是：根据不同下垫面水循环要素的相互作用和水源涵养特征，结合水量和能量平衡，基于物理机制的分布式水文模型定量刻画流域水循环过程及其水源涵养特性，计算不同下垫面、水资源分区和行政分区的水源涵养量时空分布特征。养量时空分布特征。养量时空分布特征。

【技术实现步骤摘要】
一种基于WEP模型的不同下垫面水源涵养量计算方法


[0001]本专利技术涉及水文技术分析领域，尤其涉及一种基于WEP模型的不同下垫面水源涵养量计算方法。

技术介绍

[0002]水源涵养是指生态系统对水的贮存过程，具有供给水源、调节洪峰、补充地下水、净化水质等重要功能。水源涵养量是水源涵养的重要表征指标，常用来反映水源涵养的大小。目前对水源涵养量的计算主要有两种，一种是基于概念模型的方法，如水量平衡法、土壤蓄水能力法、综合蓄水能力法、年径流法等。这类方法所需参数较少，计算简单，一般适合小流域，但难以得到大流域水源涵养量的时空分布特征。另一种是基于构建数学模型的方法，如I nVEST模型，SWAT模型，SCS模型等。这类方法是基于水循环过程，物理性强，可以实现对水源涵养量的空间分布特征进行分析，但没考虑不同下垫面之间的差异，难以实现精细化模拟。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种基于WEP模型的不同下垫面水源涵养量计算方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0005]一种基于WEP模型的不同下垫面水源涵养量计算方法，包括如下步骤，
[0006]S1、模型构建及验证：
[0007]基于WEP模型所需的基础数据，划分子流域和等高带计算单元，并将基础数据展布到子流域和等高带上，读取包括预热期、子流域以及等高带面积在内的基础数据以及模型所需的初始参数值，设置参数率定条件，进行产汇流过程的计算；并以Nash系数作为评判标准，获取最优参数集，将最优参数集带入WEP模型进行验证；
[0008]S2、不同下垫面类型的水源涵养量计算：
[0009]根据研究区土地利用结构，确定面积占比高且和水源涵养关系密切的下垫面类型，设置情景参数，调用已构建的WEP模型，结合水量平衡原理，对已筛选的下垫面进行产流计算，并将相关水循环要素代入水源涵养量计算公式，得到不同下垫面类型下的水源涵养量时空分布特征，并根据水源涵养量时空分布特征进行合理性分析；实现可视化分析。
[0010]优选的，步骤S1中的基础数据包括，
[0011]地形地貌数据：所述地形地貌数据为DEM栅格数据；
[0012]河道数据：所述河道数据包括实际水系数据和河道断面参数；
[0013]下垫面数据：所述下垫面数据包括土地利用数据以及土壤类型、土壤厚度、含水层厚度、叶面积指数、植被覆盖度数据；
[0014]水文气象数据：所述水文气象数据包括水文站的实测径流数据和气象站的逐日气象数据；
[0015]社会取用水数据：所述社会取用水数据包括工业和生活取用水、灌区取用水、水库、水保措施。
[0016]优选的，步骤S1具体包括如下内容，
[0017]S11、划分计算单元：基于地形地貌数据提取河网，并依据实际水系修正河网；之后划分子流域和等高带计算单元；
[0018]S12、数据展布：将水文气象数据和社会取用水数据展布到子流域和等高带上，将土地利用数据和土壤数据进行重分类，并保存为矢量格式；将子流域等高带上的叶面积指数数据和植被覆盖度数据统计为月值，保存为预设格式；
[0019]S13、加载WEP模型运行所需参数：读取预热期、计算起止时间、子流域和等高带面积、高程、坐标数据，加载初始土壤含水量、积雪深、洼储量；
[0020]S14、率定参数设置：设置率定时段、率定尺度、参数取值范围；
[0021]S15、产汇流过程计算:以子流域等高带为计算单元，采用手动调参或遗传算法自动率定技术对该等高带上各种下垫面类型运用不同产流模型计算其产流量，分坡面和河网进行汇流演算；
[0022]S16、获取最优参数及模型验证：以Nash系数作为评价标准，获取最优参数集，并将该最优参数集代入WEP模型，根据实测流量过程和模拟流量过程计算Nash系数，对WEP模型进行验证。
[0023]优选的，步骤S11具体为，基于DEM数据借助ArcGIS软件实现拼接、裁剪、填洼、计算流向和流量、设置阈值提取河网，根据实际水系修正WEP模型根据DEM数据自动生成的河网；之后划分子流域，根据子流域面积设置最大等高带个数和等高带面积，划分等高带计算单元。
[0024]优选的，步骤S12具体为，利用反距离平方法将气象站的逐日气象数据和社会取用水数据展布到子流域和等高带上；利用ArcGIS软件将土地利用数据和土壤数据进行重分类，并保存为矢量格式；利用马赛克法统计子流域等高带上的土地利用数据、土壤厚度数据、含水层厚度数据，并将叶面积指数数据、植被覆盖度数据统计为月值，保存为“.csv”格式。
[0025]优选的，步骤S15中的下垫面类型包括裸地域、林地域、草地域、坡耕地域、灌溉农田域、坝地域、梯田域、非灌溉农田域。
[0026]优选的，步骤S2具体包括如下内容，
[0027]S21、根据研究区土地利用结构，确定面积占比高且水源涵养关系密切的下垫面类型；
[0028]S22、考虑气候和下垫面的变化，设置不同的情景参数；
[0029]S23、根据已筛选的下垫面类型，调用不同的产流计算方程，结合水量平衡原理，将产流计算过程中的相关水循环要素带入水源涵养量计算公式，得到不同下垫面类型下的水源涵养量，按照面积加权得到该等高带上的水源涵养量和子流域水源涵养量；
[0030]S24、通过面积加权实现小尺度向大尺度的转化，通过对不同下垫面、水资源分区、行政分区上的水源涵养量进行统计，输出年、月、日三种不同时间尺度上的水源涵养量，并对其进行可视化分析。
[0031]优选的，S22中的情景参数包括模拟起止时间、模拟范围、气候变化因子、下垫面参
数。
[0032]优选的，步骤S23中水源涵养量计算具体如下，
[0033]裸地(ic＝3)、森林(ic＝4)、草地(ic＝5)的水源涵养量计算公式为，
[0034]wac
x,y,ic
＝P
x,y,ic
+smelt
x,y,ic
‑
R
x,y,ic
‑
ET
x,y,ic
[0035]该下垫面上的蒸散发计算公式为，
[0036]ET
x,y,ic
＝E
x,y,ic,i1
+E
x,y,ic,i2
+E
x,y,ic,tr1
+E
x,y,ic,tr1
+E
s
[0037]坡耕地(ic＝6)、灌溉农田(ic＝7)、坝地(ic＝9)、梯田(ic＝10)的水源涵养量计算公式为，
[0038]wac
x,y,ic
＝P
x,y,ic
+smelt
x,y,ic
+wir
x,y,ic
‑
R
x,y,ic
‑
ET
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于WEP模型的不同下垫面水源涵养量计算方法，其特征在于：包括如下步骤，S1、模型构建及验证：基于WEP模型所需的基础数据，划分子流域和等高带计算单元，并将基础数据展布到子流域和等高带上，读取包括预热期、子流域以及等高带面积在内的基础数据以及模型所需的初始参数值，设置参数率定条件，进行产汇流过程的计算；并以Nash系数作为评判标准，获取最优参数集，将最优参数集带入WEP模型进行验证；S2、不同下垫面类型的水源涵养量计算：根据研究区土地利用结构，确定面积占比高且和水源涵养关系密切的下垫面类型，设置情景参数，调用已构建的WEP模型，结合水量平衡原理，对已筛选的下垫面进行产流计算，并将相关水循环要素代入水源涵养量计算公式，得到不同下垫面类型下的水源涵养量时空分布特征，并根据水源涵养量时空分布特征进行合理性分析；实现可视化分析。2.根据权利要求1所述的基于WEP模型的不同下垫面水源涵养量计算方法，其特征在于：步骤S1中的基础数据包括，地形地貌数据：所述地形地貌数据为DEM栅格数据；河道数据：所述河道数据包括实际水系数据和河道断面参数；下垫面数据：所述下垫面数据包括土地利用数据以及土壤类型、土壤厚度、含水层厚度、叶面积指数、植被覆盖度数据；水文气象数据：所述水文气象数据包括水文站的实测径流数据和气象站的逐日气象数据；社会取用水数据：所述社会取用水数据包括工业和生活取用水、灌区取用水、水库、水保措施。3.根据权利要求2所述的基于WEP模型的不同下垫面水源涵养量计算方法，其特征在于：步骤S1具体包括如下内容，S11、划分计算单元：基于地形地貌数据提取河网，并依据实际水系修正河网；之后划分子流域和等高带计算单元；S12、数据展布：将水文气象数据和社会取用水数据展布到子流域和等高带上，将土地利用数据和土壤数据进行重分类，并保存为矢量格式；将子流域等高带上的叶面积指数数据和植被覆盖度数据统计为月值，保存为预设格式；S13、加载WEP模型运行所需参数：读取预热期、计算起止时间、子流域和等高带面积、高程、坐标数据，加载初始土壤含水量、积雪深、洼储量；S14、率定参数设置：设置率定时段、率定尺度、参数取值范围；S15、产汇流过程计算:以子流域等高带为计算单元，采用手动调参或遗传算法自动率定技术对该等高带上各种下垫面类型运用不同产流模型计算其产流量，分坡面和河网进行汇流演算；S16、获取最优参数及模型验证：以Nash系数作为评价标准，获取最优参数集，并将该最优参数集代入WEP模型，根据实测流量过程和模拟流量过程计算Nash系数，对WEP模型进行验证。4.根据权利要求3所述的基于WEP模型的不同下垫面水源涵养量计算方法，其特征在于：步骤S11具体为，基于DEM数据借助ArcGIS软件实现拼接、裁剪、填洼、计算流向和流量、
设置阈值提取河网，根据实际水系修正WEP模型根据DEM数据自动生成的河网；之后划分子流域，根据子流域面积设置最大等高带个数和等高带面积，划分等高带计算单元。5.根据权利要求3所述的基于WEP模型的不同下垫面水源涵养量计算方法，其特征在于：步骤S12具体为，利用反距离平方法将气象站的逐日气象数据和社会取用水数据展布到子流域和等高带上；利用ArcGIS软件将土地利用数据和土壤数据进行重分类，并保存为矢量格式；利用马赛克法统计子流域等高带上的土地利用数据、土壤厚度数据、含水层厚度数据，并将叶面积指数数据、植被覆盖度数据统计为月值，保存为“.csv”格式。6.根据权利要求3所述的基于WEP模型的不同下垫面水源涵养量计算方法，其特征在于：步骤S15中的下垫面类型包括裸地域、林地域、草地域、坡耕地域、灌溉农田域、坝地域、梯田域、非灌溉农田域。7.根据权利要求6所述的基于WEP模型的不同下垫面水源涵养量计算方法，其特征在于：步骤S2具体包括如下内容，S21、根据研究区土地利用结构，确定面积占比高且水源涵养关系密切的下垫面类型；S22、考虑气候和下垫面的变化，设置不同的情景参数；S23、根据已筛选的下垫面类型，调用不同的产流计算方程，结合水量平衡原理，将产流计算过程中的相关水循环要素带入水源涵养量计算公式，得到不同下垫面类型下的水源涵养量，按照面积加权得到该等高带上的水源涵养量和子流域水源涵养量；S24、通过面积加权实现小尺度向大尺度的转化，通过对不同下...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛存稳，岁姚炳，贾仰文，燕翔，王东东，郝春沣，刘佳嘉，晏思怡，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：